【手続補正書】
【提出日】平成18年9月20日(2006.9.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段とを備えたサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法において、
模擬外乱トルクを前記トルク指令に加える加振手段と、少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出する振動検出手段と、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段とを備える構成とし、前記モータの正転時と逆転時とで負荷が異なる場合にはその異なった負荷分のトルクを予め設定された模擬外乱トルクに加算して新たな模擬外乱トルクとし、前記制御ゲインを上げては前記模擬外乱トルクを前記トルク指令に加える処理を予め設定されたレベルを超える振動を検出する迄くり返し、前記レベルを超えた振動を検出した直前の前記制御ゲインを限界ゲインとみなして、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更することを特徴とするサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法。
【請求項２】
モータ停止時の正転方向のトルクと逆転方向のトルクとの差のトルクが予め設定されたレベル以上ある場合は前記模擬外乱トルクに前記差のトルクを加算することを特徴とする請求項１記載のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法。
【請求項３】
位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段とを備えたサーボ制御装置において、
模擬外乱トルクを前記トルク指令に加える加振手段と、正転時と逆転時とで負荷が異なる場合にはその異なった負荷分のトルクを前記模擬外乱トルクに加算する手段と、モータ停止時の正転方向のトルクと逆転方向のトルクとの差のトルクが予め設定されたレベル以上ある場合は前記模擬外乱トルクに前記差のトルクを加算する手段と、少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出する振動検出手段と、前記振動検出に基づいて前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段とを備えることを特徴とするサーボ制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】サーボ制御装置およびその限界ゲイン抽出方法
【技術分野】
【０００１】
本発明はサーボモータを駆動するサーボ制御装置におけるサーボ制御ゲインを自動設定する方法に関し、特に機械等を加振手段により加振しその振動を検出することによりサーボ制御ゲインの限界値を検出するサーボ制御装置およびその限界ゲイン抽出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法としては、ゲインを上げて発振させて、そのゲインを最大値とする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図５は従来技術によるゲイン調整処理を説明するフローチャートである。
ステップ５００でゲイン調整処理を行うか否かを判定する。フラッグＦ＝１でなければゲイン調整処理は行わずに終り、Ｆ＝１であればステップ５０１に進む。
ステップ５０１では、制御系を発振させて得られたメモリに記憶されている実速度データをＦＦＴ分析し、周波数成分の振幅を求める。次に、ステップ５０２で検出された振幅のうち最大の振幅の周波数ｆをｆｍａｘとしてもとめる。次に、ｆｍａｘと設定されている基準周波数ｆａとの差の絶対値が、ゲイン調整のために設定されている閾値εより小さいか否かを判断し、小さければ終り、小さくなければステップ５０４へ進む。
ステップ５０４では、現在セットされているカットオフ周波数ｆｎにｆａからｆｍａｘを差し引いた値に設定パラメータαを乗じた値を加算したものを新しいｆｎとする。
ステップ５０５では、ｆｎと設定されている制御系で決まる速度ループ帯域の上限値ｆｌｉｍをひかくし、ｆｎが小さければステップ５０８へ進み、小さくなければステップ５０６へ進む。
ステップ５０８では、速度ループのゲインＫ１及びＫ２を計算する。次に、ステップ５０９で指標ｉ及びフラッグＦを「０」にセットして終わる。
ステップ５０６では、パラメータＰが「０」か否かを判断し、「０」であればステップ５０７へ進み、「０」でなければステップ５１０へ進む。
ステップ５０７では、Ｐの値を「１」にして速度制御ループをＰＩ制御にセットし、また、ｆｎを初期値ｆｎ０にセットしてステップ５０８へ進む。
ステップ５１０では、ｆｎをｆｌｉｍにセットして次へ進む。ステップ５１１では、速度ループのゲインＫ１及びＫ２を決定して速度ループゲインの調整を終わる。
こうして、決定された値によって速度制御が行われると、振動を生じず、かつ、ゲインの大きい望ましい速度制御が行われることとなる。
【特許文献１】特開平２―２６１０８３号公報（第８−９頁、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来例では、サーボ制御装置のゲインを上げて発振状態にしてからでないと、ゲインの最大値を得られず、限界ゲインの抽出に時間を要し機械を傷つける恐れがあるという問題があった。また、サーボ制御装置に重力負荷が懸かるなど正転と逆転とで負荷が異なる場合には、発振のしやすさも変わりゲインの最大値を安定的に得ることができないという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、サーボ制御装置を発振状態にすることがなく機械を傷つける恐れのない、また、サーボ制御装置の負荷が正転と逆転とで異なる場合においても限界ゲインを抽出できる、サーボ制御装置およびその限界ゲイン抽出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段とを備えたサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法において、模擬外乱トルクを前記トルク指令に加える加振手段と、振動検出手段により少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出する振動検出手段と、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段とを備える構成とし、前記モータの正転時と逆転時とで負荷が異なる場合にはその異なった負荷分のトルクを予め設定された模擬外乱トルクに加算して新たな模擬外乱トルクとし、前記制御ゲインを上げては前記模擬外乱トルクを前記トルク指令に加える処理を予め設定されたレベルを超える振動を検出する迄くり返し、前記レベルを超えた振動を検出した直前の前記制御ゲインを限界ゲインとみなして、前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更することを特徴とするものである。
【０００５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法において、モータ停止時の正転方向のトルクと逆転方向のトルクとの差のトルクが予め設定されたレベル以上ある場合は前記模擬外乱トルクに前記差のトルクを加算することを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項３に記載の発明は、位置指令及びモータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように位置制御を行い速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令及びモータ回転速度検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように速度制御を行いトルク指令を出力する速度制御部と、前記トルク指令を入力しモータの発生トルクが前記トルク指令に一致するようにトルク制御を行いモータ駆動電流を出力するトルク制御部と、モータの回転位置を検出し前記モータ回転位置検出信号を出力する位置検出器と、前記モータ回転位置検出信号に基づいてモータ回転速度を算出し前記モータ回転速度検出信号を出力する速度算出手段とを備えたサーボ制御装置において、模擬外乱トルクを前記トルク指令に加える加振手段と、正転時と逆転時とで負荷が異なる場合にはその異なった負荷分のトルクを前記模擬外乱トルクに加算する手段と、モータ停止時の正転方向のトルクと逆転方向のトルクとの差のトルクが予め設定されたレベル以上ある場合は前記模擬外乱トルクに前記差のトルクを加算する手段と、少なくとも前記トルク指令または前記モータ回転速度に基づいて制御系の振動を検出する振動検出手段と、前記振動検出に基づいて前記位置制御部および前記速度制御部の制御ゲインを変更する制御ゲイン変更手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、サーボ制御装置を発振状態にすることがないので、機械を傷つける恐れがなく限界ゲインを抽出でき、限界ゲインの抽出に時間を要することもない。また、サーボ制御装置の負荷が正転と逆転とで異なる場合においても限界ゲインを抽出できる、サーボ制御装置およびその限界ゲイン抽出方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
実際のサーボ制御装置には様々な機能や手段が内蔵されているが、図には本発明に関係する機能や手段のみを記載し説明することとする。
図１は本発明を適用するサーボ制御装置のブロック図である。図１において、１は位置制御部、２は速度制御部、３はトルク制御部、４は位置検出器、５は速度算出手段、６はモータ、７は機械、８はトルク伝達機構である。
また、１１は加振手段、１２は振動検出手段、１３は加算器、１４は制御ゲイン変更手段である。
【００１０】
最初に、図１を用いて本発明におけるサーボ制御装置の構成を説明する。
位置制御部１は位置指令とモータ回転位置検出信号とを入力し速度指令を速度制御部２へ出力する。速度制御部２は前記速度指令とモータ回転速度検出信号とを入力しトルク指令を加算器１３および振動検出手段１２へ出力する。加算器１３は前記トルク指令と模擬外乱トルク信号とを入力し合成トルク指令をトルク制御部３へ出力する。トルク制御部３は前記合成トルク指令を入力しモータ駆動電流をモータ６へ出力する。モータ６にはトルク伝達機構８および位置検出器４が装着されている。トルク伝達機構８はモータ６の発生トルクを負荷７へ伝達する。位置検出器４は前記モータ回転位置検出信号を位置制御部１および速度算出手段５へ出力する。速度算出手段５は前記モータ回転位置検出信号を入力し前記モータ回転速度検出信号を速度制御部２および振動検出手段１２へ出力する。振動検出手段１２は前記トルク指令または前記モータ回転速度検出信号を入力し加振手段制御信号を加振手段１１へ、制御ゲイン変更信号を制御ゲイン変更手段１４へ出力する。加振手段１１は前記加振手段制御信号を入力し前記模擬外乱トルク信号を加算器１３へ出力する。制御ゲイン変更手段１４は前記制御ゲイン変更信号を入力し位置制御部１及び速度制御部２の制御ゲインを変更する。
【００１１】
次に、図１を用いて本発明におけるサーボ制御装置の動作を説明する。
位置制御部１は前記モータ回転位置検出信号が前記位置指令に一致するように制御演算を行い前記速度指令を算出する。速度制御部２は前記モータ回転速度検出信号が前記速度指令に一致するように制御演算を行い前記トルク指令を算出する。加算器１３は前記トルク指令と前記模擬外乱トルクとを加算して前記合成トルク指令を算出する。トルク制御部３は前記合成トルク指令に基づいてトルク制御演算を行いモータ６へモータ駆動電流を流す。モータ６に駆動電流が流れるとトルクを発生する。位置検出器４はモータ６の回転位置を検出する。速度演算手段５は前記モータ回転位置検出信号に基づいて前記モータ回転速度検出信号を算出する。加振手段１１は予め設定されたレベルのステップ状の模擬外乱トルク信号を前記加振手段制御信号に従って発生する。振動検出手段１２は前記トルク指令または前記モータ回転速度検出信号中に含まれる振動成分を抽出し、その振動成分が、予め設定されたレベルを超えたか否かにより、前記制御ゲイン変更信号により制御ゲイン変更手段１４を介して位置制御部１及び速度制御部２の制御ゲインを変更するとともに、前記加振手段制御信号により加振手段１１をオン／オフする。
【００１２】
図２は本発明のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法を説明するフローチャートである。
図２において、まず、ステップＳ５１では通常運転を行い振動検出手段１２により機械の振動成分のレベルを検出する。図３はサーボ制御装置を通常運転した時の代表的な応答波形である。図３において、３１は速度指令、３２は応答速度、３３はトルク、３４は運転時振動成分のレベルである。
つぎに、ステップＳ５２で移動方向を変え、移動時および停止時のトルクを測定する。これは一般的にモータ駆動電流の大きさにより求めることができる。いま、モータ停止時の正転方向のトルクをｔｒｑ１、逆転方向のトルクをｔｒｑ２とすると、負荷トルクｔｒｑは、
ｔｒｑ＝（ｔｒｑ１＋ｔｒｑ２）／２
となる。ここで移動方向を変えて加算するのは、加算することにより摩擦トルク分を打ち消すことができるからである。また、移動時においても同様である。さらに、この負荷トルクｔｒｑが予め設定されたレベル以上あれば、重力負荷などの正転と逆転とで異なるアンバランス負荷と判断してこの負荷トルクを以降の模擬外乱トルク信号に加算して補正する。
【００１３】
つぎに、ステップＳ５３では位置ループや速度ループといった制御系のゲインを低いゲインとしておき、加振手段１１により模擬外乱トルク信号を加える。ステップＳ５４で振動成分が予め設定された振動検出レベル閾値Ａを超えたか否かを判定し、超えていれば模擬外乱トルクおよび振動検出レベル閾値Ａは決定されたとしてステップＳ５５へ進み、超えていなければ加えた模擬外乱トルクが機械の負荷を超えられなかったと考えステップＳ５９へ進む。ステップＳ５９では、模擬トルク信号のレベルを大きくしてステップＳ５３へ戻る。
この振動検出レベル閾値Ａは、制御系が発振していない範囲であれば任意に設定しても構わないが、たとえば、ステップＳ５１で検出された振動成分のレベルの振動振幅の最大値の２倍程度にすることが好ましい。また、模擬外乱トルクをあるレベルまで大きくしても応答が大きくならない場合、振動検出レベル閾値Ａを下げる。このようにして模擬外乱トルクの大きさと振動検出レベル閾値Ａを調整する。
【００１４】
ステップＳ５５では、制御ゲインを上げる。つぎに、ステップＳ５６で加振手段１１により模擬外乱トルク信号を加える。つぎに、ステップＳ５７で、振動成分が予め設定された振動検出レベル閾値Ｂを超えたか否かを判定し、超えていればそのときの直前の制御ゲインを限界ゲインとしてステップＳ５８へ進み、超えていなければステップＳ５５へ戻る。
この振動検出レベル閾値Ｂは、制御系が発振していない範囲であれば任意に設定しても構わないが、たとえば、ステップＳ５４で用いた振動検出レベル閾値Ａの１．５倍程度に選んでも良い。
【００１５】
図４は限界ゲインを抽出する手順を説明するタイミング図である。図４において、４１は制御系のゲインを上げて行く動作を示すタイミングであり、４２は模擬外乱トルク信号を加えるタイミングであり、４３はトルクまたは速度検出信号に基づいて検出された振動成分の例であり、４４は抽出された限界ゲインであり、４５は振動検出レベル閾値の例である。
ステップＳ５８では、限界ゲインが抽出され、制御ゲインを、例えば、振動したゲインの半分あるいは、最初に設定した低いゲイン等振動しないレベルにまで下げて終わる。
確実に振動を止めるためには、トルク指令を絞るか、位置偏差を一瞬ゼロにする。そして振動した時の制御ゲインの１つ前の制御ゲインを一般的にサーボ制御装置内にある記憶手段に限界ゲインとして記憶しておく。記憶した制御ゲインが検出すべき限界ゲインである。    
【００１６】
ここで模擬外乱トルクと振動が発生する制御ゲインの関係を考えてみる。模擬外乱トルクを大きくしていくと機械への衝撃も大きくなり、振動が発生しないような制御ゲインは小さくなる。機械の加減速やフィルタを入れて滑らかにすると衝撃が減り制御ゲインが上げられるのは、こういう理由である。
また、本実施例では、模擬外乱トルクをトルク指令に直接入力しているが、微少距離を移動することでも、トルクが発生するので、同等のことが行える。また、振動検出手段１２は、制御ゲインに伴い積分ゲインやトルクフィルタ等を連動させても良い。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明は、半導体製造装置の位置決め駆動用サーボ制御装置、工作機械や産業用ロボットを駆動するサーボ制御装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を適用するサーボ制御装置のブロック図。
【図２】本発明のサーボ制御装置の限界ゲイン抽出方法を説明するフローチャート。
【図３】サーボ制御装置を通常運転した時の代表的な応答波形。
【図４】本発明の限界ゲインを抽出する手順を説明するタイミング図。
【図５】従来技術によるゲイン調整処理を説明するフローチャート。
【符号の説明】
【００１９】
１  位置制御部
２  速度制御部
３  トルク制御部
４  位置検出器
５  速度算出手段
６  モータ
７  機械
８  トルク伝達機構
１１  加振手段
１２  振動検出手段
１３  加算器
１４  制御ゲイン変更手段
３１  速度指令
３２  応答速度
３３  トルク
３４  運転時振動成分のレベル
４１  制御系のゲインを上げて行く動作を示すタイミング
４２  模擬外乱トルク信号を加えるタイミング
４３  トルクまたは速度検出信号に基づいて検出された振動成分の例
４４  抽出された限界ゲイン
４５  振動検出レベル閾値の例